アラミドおよびケブラー複合材料
アラミド/ケブラーは、優れた強度と非常に軽量という独自の特性を提供する材料です。 アラミドと炭素繊維の違いは、実は色だけではありません。
炭素繊維複合材とその特性については、「炭素繊維複合材」という記事で詳しく説明しています。
この記事では、アラミド繊維複合材の特性、その利点と欠点、および異なる産業や完成品での使用に関する実際の例について分析します。
歴史
アラミドは、異なる商業名で入手できる特定の材料を指します。
デュポンは60年代にアラミドを登録商標Kevlarとして初めて導入、製造し、1973年から市場に投入しています。 アラミドはポーランド系の女性化学者Stefania Kwolekによって発見され、タイヤ製造においてナイロンの代わりに使用される、軽量で非常に強い素材に焦点を当てた研究を行いました。
時が経つにつれ、他の企業も生産を開始し、わずかに異なる特性を持つアラミドを供給し始めましたが、主な特性は似ています。
アラミドは、デュポン社のノーメックス、日本の帝人社のトワロン、テクノーラ、韓国の東レ社のアラウィン、韓国のヘラクロン社のコロン、および中国企業による供給など、さまざまな商品名で他のサプライヤーからも供給されています。
ケブラー、トワロン、ノーメックスと呼ばれる素材はすべてアラミドを指し、衝撃や摩耗に対する並外れた耐性、高温への耐性、軽量性などの優れた特性を備えています。 そのため、陸軍、空軍、ウォータースポーツ、モータースポーツのほか、タイヤ、衣料、保護手袋など、さまざまな用途に使用されている。
アラミド/ケブラーの特性は？
ケブラーやノーメックスなどのアラミドは、いくつかの利点と欠点を持つ構造材料を指します。 以下の説明は、アラミド複合材料とアラミド乾燥繊維の本質的な特性をカバーしています。
アラミド複合材料の利点
衝撃と亀裂に対する高い抵抗
アラミドは衝撃に対する並外れた抵抗を特徴とし、それは頑丈であるため圧力下で割れないと大きなエネルギー吸収を可能にします。
アラミドから作られた複合材料は、炭素繊維複合材料の 5 倍の耐衝撃性があります (落錘衝撃試験)。 このような衝撃や弾丸に対する並外れた耐性は、アラミドの構造を形成する原子の長い鎖の結果です。
この特性により、この材料は防弾チョッキや戦車の装甲材の製造において、軍事目的で広く使用されています。
Bulletproof vests are made from material consisting of several dozen layers of Aramid (for instance Kevlar) and include a ceramic plate between the layers.これは防弾ベストの製造に用いられる材料ですが、防弾ベストは数十のアラミド層（例えばケブラー）から成り、その層の間にセラミックプレートを含んでいます。 アメリカのM1戦車などの装甲車に使用されているシールドは、直径700mmまでの対戦車ミサイルを防ぐために、鋼-アラミド-鋼の構造を持つ材料で作られています。 さらに、戦車自体の保護に加えて、スチール-アラミド-スチールの装甲シールドは、貫通するミサイルによって生成された運動エネルギーを吸収することによって、乗員を保護します。
衝撃に対する高い耐性により、ケブラーはボートやカヤック、例えば、最も厳しいスポーツ競技会の一つ、ボルボオーシャンレースに設計されたヨットの船体を作るために広く使用されています。
低密度・軽量
アラミド繊維は非常に軽量であることが特徴で、コンポジットの製造において有利です。 複合材料にアラミド繊維を使用すると、衝撃や摩耗に対する抵抗力が増すだけでなく、複合材料の軽量化も実現できます。
アラミド繊維の密度が～1.45 g/cm3 であるのに対し、アラミドとエポキシ樹脂の複合材料の密度は ～1.3 g/cm3 でした。 この計算は、硬化剤と混合したエポキシ樹脂の密度～1.1 g/cm3 と、コンポジットの製造時に採用した高度な技術、すなわちオートクレーブによるプリプレグに基づいています。
非常に軽いと考えられる炭素繊維を比較するために、炭素繊維とエポキシ樹脂の複合材料の密度を 1.3 g/cm3 相当にしています。55g/cm3です。
つまり、アラミド繊維のコンポジットは炭素繊維のコンポジットより20%ほど軽いのです。
アラミドコンポジットの重さを金属と比較するとどうでしょうか。 アルミの場合は2.7g/cm3、チタンは4.5g/cm3、鉄は7.9g/cm3です。
つまりアラミドコンポジットはアルミより2倍、チタンより3、4倍、鉄より6倍も軽いのです。
適度な剛性 – ガラス繊維と炭素繊維の間のギャップを埋める
アラミド複合材料は、ガラス繊維複合材料より高い剛性を持ち、炭素繊維複合材料よりかなり低いです
炭素やアラミドなど多くの種類の繊維があり、例えば、標準、中程度、高いモジュールで異なる剛性や強度を持ち、異なる価格で入手できます。 下の表は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維の剛性を示しています。
異なる複合繊維の剛性：
- ガラス繊維織物 – 72 GPa（標準 E-ガラス）から 87 GPa（強度を高めた S-ガラス織物）まで。
- 炭素繊維織物 – 230 GPa (製造複合材料に使用される標準織物 – 東レ T300) から 590 GPa (HM クラス東レ M60J) まで。
- アラミド繊維織物 – 96 GPa (複合材料に適用される標準アラミド繊維 – すなわちケブラー 129) から – 186 GPa (航空機 / 航空機産業で用いられるアラミド織物すなわちケブラー 149) まで。
結論として、標準的な繊維から作られたアラミド複合材料は、ガラス繊維複合材料よりも約 30 ～ 40% 高い剛性を備えていますが、炭素繊維複合材料（剛性が炭素繊維複合材料よりも 50% 低い）と比べると、性能はかなり限定されています。
低熱膨張
アラミドは高温にさらされても非常に安定しており、熱膨張率はほぼゼロ、わずかにマイナス（-2.4 x 10-6/℃）に相当します。
耐摩耗性
アラミド複合材料は、摩耗にさらされる部品やコンポーネント（レーシングカーのエンジンを保護するスキッドプレートなど）に広く使用されています。 これらの特性のおかげで、この材料は複合材料や、トワロンやケブラーなどのアラミド繊維が使用されている耐切創安全手袋などの作業着に使用されています。
振動吸収
アラミド複合材料の特性の1つは、振動吸収に関するもので、その結果、アラミドは振動にさらされる部品、たとえば航空機構造部品の製造に使用されています。
Low Dielectric Constant
Aramid composite has low electric permittivity of ~3.85 (10 GHz) which ensure good performance and strength of signal through aramid protection casings / aerial radomes.は、ケブラー・ブレーディングと同様にアラミドを使用したヘリコプターのローターです。 このタイプのアンテナは、軍用機などの軍事用途に広く使用されています。
comparison, E-glass fiber composite offers electric permittivity corresponding to 6.1 (10 GHz) that results in antenna signal power and performance 60% lower.Aramid casings / radomes can have a good signal performance.
他の繊維との併用とハイブリッド複合材料
アラミド繊維は、要求に応じてパラメータを変更することにより、炭素繊維複合材料やガラス複合材料に使用することができ、複合材料製品のサプライヤーに多くの可能性を提供しています。
Hybrid composite made from the combination of fabrics, namely 50% of carbon fibers and 50% of aramid ones, offers 100-125% improved impact resistance compared to composite made of carbon fiber only.
他の応用例としては、穴あけが続く場所にアラミドを数層設けることで補強を確保し、運転中や振動の結果、穴周辺のコンポジットの損傷/割れのリスクを低減することができる。
Disadvantages of Aramid composites
Water/moisture absorbency
Aramid fibers have relatively high moisture absorbency (up to 6% of its weight) therefore Aramid composites need be appropriately protected – usually with a top coat to reduce moisture absorbency.アラミド複合材料は、吸湿性を減らすために、通常トップコートで適切に保護する必要があります。 さらに、水と接触する複合材料の場合、ケブラー149やアルモスなど、吸水性が低下するタイプのアラミドが使用されます。
標準のアラミド繊維が高い吸水性を持ち、この特性によって火傷ややけどから保護されていることは興味深い点です。 この素材は、パラフィンを染み込ませた火工品のパフォーマンスで非常によく使用されます。
アラミド複合材上面の耐湿性とマイクロクラック性を高めるために、ガラス繊維の層を追加してトップコートの接着結合を改善し、将来のトップコート補修を容易にすることがよくあります。 そのため、アラミド繊維を含むコンポジットの製造工程は、非常に厳しいプロセスであることがわかります。 その結果、乾燥したアラミド繊維と、アラミド繊維とエポキシ樹脂などから作られた完成品のアラミド複合材の両方を切断することは困難です。
乾燥した繊維の切断は、レーザーまたはこの目的のために設計された特殊な切断機を使用することで可能です。 完成したアラミド複合材料の切断は、ウォータージェット切断や、特別に設計された超硬工具やダイヤモンド工具を使用した切断機で可能です。
Aramid compositesの生産中、早くも設計段階で、金型を適切に調整し離型後の切断量を削減するための変更や修正が行われることがある。 切断が必要な箇所には、炭素繊維（50％）とアラミド繊維（50％）のハイブリッド繊維を含む層を設けることもあります。
UV related degradation
Aramid fibers have poor resistance to UV.
UV radiation (sunlight) cause degradation of aramid fibers. 例えば、アラミド繊維は通常、保護カバーで覆われています。
高コスト
アラミドは炭素繊維と同程度の価格を持つ、高価な素材です。 そのため、衝撃や摩耗に対する並外れた耐性と、完成品の軽量化が求められる特定の用途に使用されます。
低い圧縮強度
アラミド繊維は、ガラス繊維や炭素繊維よりも低い圧縮強度を提供するため、ハイブリッド布は、アラミドと炭素繊維の組み合わせを含む構造などの高い圧縮にさらされるコンポーネントに広く使用されています。 以下はその例です：
複合材料におけるアラミドの使用 – アラミド複合材料：
- 防弾チョッキ。
- モータースポーツおよび摩耗/衝撃にさらされるコンポーネントの保護-例：ホイールアーチ、スキッドプレート
- 航空機ボディ（しばしばカーボン-ケブラーハイブリッド）、ローター、メッキ
- 航空機荷物コンパートメント
- 特定の誘電特性を持つ軍用機のレドーム
- サーフボード
- カヤック
- 船体
。
LPGシリンダー – 重量はスチール製のものより70％低く、炭素繊維と比較して衝撃への耐性が向上します – 例.
乾燥布におけるアラミドの使用：
- 保護服 – 軍服（例：a2cu ）、消防服、または F1 や NASCAR 用に設計された服（主に Nomex）など、難燃性服を含む。
タイミングベルトのケブラー強化は、その耐久性を高め、破損のリスクを低減します - カット耐性安全手袋
- ゴム化コンポーネント強化 e.g. タイミングベルト.
- タイヤ補強.
- ロープ.
- 割れを防ぎ、火との瞬間的接触から保護するアラミド繊維の裏地を備えた光学ケーブル.
- 帆布.
- ドラムヘッド.
- 。
- ハニカムに使用されるアラミド紙。
概要
アラミドは、衝撃、摩耗、切断に対する耐性と炭素繊維より20%低い超軽量に関して、並外れた特性と性能を提供します。
この論文を読んで、メリットとデメリットを知り、エンジニアや設計者が最適に使用できるよう貢献できれば幸いです。
アラミド複合材料の製造
Dexcraftは防弾チョッキ、レーシングカーのボディ部品、アラミドシートなどのアラミド複合材料製品を提供しています
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